基于多模型切换控制的煤气化工业过程先进控制.pdf
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1、基于多模型切换控制的煤气化工业过程先进控制张天辰,赵众(北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029)摘要:煤气化是煤化工生产过程的重要组成工艺。煤气化过程以煤和氧气作为主要反应原料,在高温高压条件下发生化学反应生成粗合成气。相较石油化工行业,煤气化工业过程的先进控制(APC)实施有较大难度,原因在于煤气化过程中煤质不断变化,导致传统的基于单一模型的先进控制方法会引起控制器模型失配问题,引发生产过程中关键参数(氧煤比、气化炉温度)的较大波动。针对上述问题,基于水煤浆气化炉的生产实际,提出了一种基于多模型切换的动态矩阵控制方法。在离线状态下,利用不同煤质工况下的过程数据,构造多工况模型集。在
2、线控制时,采取累积平方误差总平方波动(ISE-TSV)作为控制器性能指标表征控制器性能与模型失配程度,同时使用多模型预测值作为模型切换准则。通过多模型切换动态矩阵控制,实现了煤气化单元的先进控制。根据所提方法开发了多模型切换控制软件 Wisdom-Controller,在 UniSim 平台上进行了控制模拟,并进行了工业应用测试,模拟及工业应用测试结果证实了所提方法能够在煤质工况波动的情况下,实现氧煤比及气化炉温度的精准控制。对比传统的人工手动操作,基于多模型切换控制的先进控制方法降低了氧煤比及气化炉温度均方控制偏差。同时减少了比煤耗,增加了合成气体产量,显著提高了装置的经济效益。从而为实现煤
3、气化工业过程的先进控制提供了一条新的有效途径。关键词:煤气化;工况变化;多模型切换;动态矩阵控制;先进控制中图分类号:TQ546文献标志码:A文章编号:02539993(2023)04174712Advanced process control of coal gasification industrial process based onmultiple models switching controlZHANGTianchen,ZHAOZhong(College of Information Science and Technology,Beijing University of Chem
4、ical Technology,Beijing100029,China)Abstract:Coalgasificationisacrucialunitofcoalchemicalproductionprocess.Coalandoxygenareusedasthemainre-actionrawmaterialsinthecoalgasificationprocessandthecrudesyngasisgeneratedbychemicalreactionunderhightemperatureandhighpressure.Comparedwiththepetrochemicalindus
5、try,itismoredifficulttoimplementadvancedpro-cesscontrol(APC)inthecoalgasificationindustrialprocessbecauseofthetimevaryingdisturbanceofcoalquality.ThetimevaryingdisturbancemayleadtothemismatchoftheAPCmodelthatcouldcausesomelargefluctuationsofkeypro-cessindices(oxygencoalratioandgasifiertemperature).I
6、nviewofaboveproblems,basedontheactualproductionofcoal-waterslurrygasifier,adynamicmatrixcontrolmethodbasedonmultiplemodelsswitchingisproposedinthispaper.Theoff-lineprocessdataunderdifferentcoalqualityconditionsareusedtoconstructamultipleworkingmodelsetforon-linedynamicmatrixcontroller.Theintergralsq
7、uarederror-totalsquaredvariation(ISE-TSV)isusedasthecontrollerper-收稿日期:20220420修回日期:20220713责任编辑:钱小静DOI:10.13225/ki.jccs.2022.0549基金项目:北京市自然科学基金资助项目(4172044)作者简介:张天辰(1997),男,福建福州人,硕士研究生。E-mail:通讯作者:赵众(1970),男,河南新乡人,教授,博士生导师。E-mail:引用格式:张天辰,赵众.基于多模型切换控制的煤气化工业过程先进控制J.煤炭学报,2023,48(4):17471758.ZHANGTian
8、chen,ZHAOZhong.AdvancedprocesscontrolofcoalgasificationindustrialprocessbasedonmultiplemodelsswitchingcontrolJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):17471758.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023formanceindextomonitorthecontrollerperformanceandmodelmismatchandthemultiplemodelp
9、redictionvalueisusedasthemodelswitchingcriterion.Theadvancedcontrolofthecoalgasificationunitisrealizedthroughthemultiplemodelsswitchingdynamicmatrixcontrol.Accordingtotheproposedmethod,amultiplemodelswitchingcontrolsoft-wareWisdom-Controllerhasbeendeveloped.TheWisdom-ControllerhasbeentestedontheUniS
10、imsimulationplatformandappliedtotherealindustrialgasifier.Thesimulationandindustrialapplicationresultshaveverifiedthattheproposedmethodcanaccuratelycontrolthechangeofoxygen-coalratioandgasifiertemperatureundertheconditionoffluctuatingcoalqualityconditions.Comparedwiththetraditionalmanualoperation,th
11、emeansquarecontroldeviationofoxygen-coalratioandthegasifiertemperaturehavebeenreducedobviouslywiththeproposedadvancedprocesscontrolmethodbasedonmultiplemodelsswitching.Also,thespecificcoalconsumptionhasbeenreduced,thesyntheticgasoutputhasbeenin-creasedandtheeconomicbenefitoftheunithasbeensignificant
12、lyimproved.Theindustrialapplicationresultshaveveri-fiedthattheproposedmethodprovidesanewandeffectivewaytorealizetheadvancedprocesscontrolofcoalgasifica-tionindustrialprocess.Key words:coalgasification;workingconditionchange;multiplemodelsswitching;dynamicmatrixcontrol;ad-vancedprocesscontrol煤气化是一个热化
13、学加工过程,以煤和氧气作为主要反应原料,在高温高压条件下发生化学反应生成粗合成气1。气化过程伴随着煤质的多变,引起了生产的波动性,主要表现在关键变量氧煤比及气化炉温度的波动2-3。依托先进控制(APC)技术对气化系统进行先进控制和实时优化,结合稳态和动态模型预测生产过程等智能化方式4-5可以帮助操作人员快速响应煤质及负荷等工况切换,使煤气化操作始终保持接近最优操作点的“卡边”优化运行,能为企业创造更大的效益已成为煤化工企业的共识6。相较于石油化工行业,煤化工行业在工业智能化方面发展相对落后。尤其在煤气化工业领域,APC 的应用相对较少。2015 年,神华包头煤化工公司在聚乙烯和聚丙烯装置上引进
14、 APC 先进控制系统7,使工艺系统的自动化程度大大提高,但也指出了 APC 系统必须在相对稳定条件下使用,仍存在改进空间。2018年,江凤月等8将 APC 技术运用在煤制氢装置,通过单元优化煤耗降低了 1.83%。2019 年,晁澄9将 APC技术运用在 GE 单喷嘴水煤浆气化中,这次 APC 首次运用在水煤浆气化炉上,单位煤的有效气产量提高了0.24%。同年,张成学等10在四喷嘴水煤浆气化装置上运用 APC,有效减少了关键变量的波动幅度。2020 年,MIGHANIM 等11将 APC 应用于气化过程,减少了生产每单位有效合成气所需的氧气 1%以上、煤炭 3%以上。2021 年,方薪晖12
15、介绍了 APC 技术在日投料 3000t 的超大型水煤浆气化炉上的应用。工业上常用的先进控制算法主要是模型预测控制(MPC)13-14,其有较好的闭环稳定性和鲁棒性(抗干扰能力)。然而传统的基于线性模型的预测控制难以适应工况的大幅变化,即应用于煤气化过程,难以适应煤质的变化,存在一定的局限性。笔者提出了一种基于多模型切换的动态矩阵控制方法。在离线状态下,利用不同煤质工况下的过程数据,构造多工况动态模型集。在线控制时,采取累积平方误差总平方波动(ISE-TSV)作为控制性能指标15,用于判别煤质变化,同时使用多模型预测值作为模型切换准则。通过多模型切换动态矩阵控制,实现了煤气化单元的先进控制。所
16、提方法在 UniSim 平台上进行了模拟,并进行了工业应用测试,模拟及工业应用测试结果证实了所提方法能够在煤质工况波动的情况下,实现对煤气化炉关键变量的精准控制。1煤气化工艺及控制需求1.1煤气化工艺在气化炉内,煤中的碳元素主要发生如下反应16,其中目标产品是 CO 和 H2。C+O2 CO2(1)C+CO2 2CO(2)2C+O2 2CO(3)C+H2O CO+H2(4)C+2H2O CO2+2H2(5)C+2H2 CH4(6)2C+2H2O CH4+CO2(7)1.2水煤浆气化技术常见的水煤浆气化技术是德士古水煤浆加压气化技术17,该工艺采用水煤浆及氧气作为原料,对其1748煤炭学报202
17、3年第48卷进行加压处理,生成合成气。其工艺流程如图 1 所示。煤浆槽中的水煤浆通过高压煤浆泵加压,结合高压氧气。2 者按照一定比例混合进入气化炉上方的燃烧室,水煤浆被雾化成细小的颗粒。在高温高压条件下进行一系列反应生成粗合成气及少量残渣。反应生成的合成气进入在气化炉下部的激冷室内被激冷水冷却后从气化炉侧面的气体出口管处排出;熔渣沉降于激冷室底部,通过气化炉底部锁斗进行排渣,气化炉中下部排出的黑水排至灰水处理系统。合成气排出后进入碳洗塔内与洗涤水混合,进行洗涤除尘工艺,最终得到水煤浆气化工艺的目标产品。水煤浆氧气德士古合成气激冷水合成气碳洗塔气化炉洗涤水洗涤水洗涤水灰水黑水黑水排渣图1德士古煤
18、气化工艺流程Fig.1TechnologicalprocessofTexacocoalgasification1.3煤质对气化的影响煤质是影响煤气化安全性和操作平稳性的关键指标18-20。根据水煤浆气化的工艺特点,本文研究煤质的变化指标包括水分、固定碳成分、灰分、挥发分。(1)水分。水分主要考虑煤中的内在水分。在水煤浆制备过程中,水分影响煤浆浓度,煤的内在水分越低,煤浆浓度越高。煤浆浓度越高,进入煤气化炉内的水分越少,从而减少了蒸发水分所需的热量,气化炉温度也会有一定程度的变化。(2)灰分。煤的灰分是指煤完全燃烧后的固体残渣,一般来源于矿物质。煤的灰分越高,其发热量越低,不仅影响了气化炉的经济
19、效应,还增大了排灰的环境压力。低灰熔点的煤也会影响煤气化炉的渣口压差及气化炉的温度,对煤气化炉的安全造成较大影响。(3)挥发分。煤的挥发分是指煤样在隔绝空气条件下加热至一定温度后除掉外部水分,分解出的液体和气体产物。煤的挥发分影响煤气的热值,在一定程度上影响气化炉的温度。(4)固定碳。煤中的固定碳成分是去除水分、灰分、挥发分后剩余的残留物。煤的发热量主要由固定碳燃烧产生,固定碳成分变化对气化炉的温度将产生较大影响。1.4煤气化操作难点及先进控制器结构煤气化过程中,氧煤比作为关键操作变量显著影响了工艺的安全性与产品的经济性21-22。当前煤气化工艺下,氧煤比大都通过手动控制氧气流量以及煤浆流量来
20、实现其稳定23,但由于阀门的滞后性与精确性,氧气流量和煤浆流量往往波动较大,造成氧煤比随之波动。氧煤比不仅受装置影响,还与煤质特性有关,主要包括固定碳成分、灰分、挥发分。为了解决煤质对气化炉的影响,笔者提出了多模型切换动态矩阵控制的方法。煤气化炉系统是一个煤质多变的非线性对象,单一的模型难以概述这一非线性系统24。因此需要在不同煤质的工况下建立模型,利用动态矩阵控制方法实现多工况煤气化过程的多变量协调先进控制。根据水煤浆气化的生产实际与工业控制需求,设计的先进控制器结构见表 1。被控变量中,氧煤比和气化炉炉温是安全性约束指标,其中氧煤比的权重更大,被控变量权重越大,代表该变量对于工艺安全来说越
21、重要。干扰变量则选取煤质特性中不可测的固定碳成分、挥发分、灰分。表 1中的干扰变量煤质难以实时测量25,用离线化验分析值来表征工况的变化。表 1 煤气化炉先进控制器结构Table 1 Advanced controller structure of coal gasifier变量类型变量名称变量描述单位操纵变量(MV)MV1氧气流量Nm3/hMV2煤浆流量t/h被控变量(CV)CV1氧煤比Nm3/m3CV2气化炉温度干扰变量(DV)DV1煤质特性固定碳成分%DV2煤质特性挥发分%DV3煤质特性灰分%煤气化炉系统的控制目标为通过调整氧气回路和煤浆回路设定值,以保证氧煤比及气化炉温度稳定在所需的控
22、制区间内。2煤气化炉多模型切换控制常用的预测控制算法是动态矩阵控制算法,它是工业上应用最广的先进控制算法之一26,以稳态操作点附近的阶跃响应模型作为预测模型。煤气化炉系统作为一个非线性动态系统,具有明显的操作区域变化特征。预测控制方法具有前馈补偿性能,可以有效针对炉温热电偶的滞后特性。2.1多煤质模型的非线性动态表述考虑如图 2 所示的非线性动态系统,其中,Go为第4期张天辰等:基于多模型切换控制的煤气化工业过程先进控制1749rduye非线性动态对象;Gc为控制器模型;为系统设定值;为系统扰动;为控制器输出;为系统实际输出;为系统的误差。reuydGcGo+图2非线性动态模型Fig.2Non
23、lineardynamicmodel考虑线性时不变系统,即系统的参数不随时间变化,非线性对象及控制器的动态模型分别为Go:x(k+1)=f(x(k),u(k),d(k)y(k)=g(x(k),u(k)(8)Gc:w(k+1)=p(w(k),e(k)u(k)=q(w(k),e(k)(9)kx(k)Rn1w(k)Rm1f()g()p()q()式中,为系统的采样时刻;为非线性对象的状态变量;为控制器的状态变量;、为对应的非线性稳态函数。忽略闭环非线性系统的静态误差,即e=ry=0(10)(x0,u0,w0,d0,0)对给定的设定值 r0和扰动 d0,根据式(8)、(10)可以得到一个静态工作点满足f
24、(x0,u0,d0)=0(11)在静态工作点泰勒展开,可以得到在该点处线性化后的模型x(k+1)=fxx(k)+fuu(k)y(k)=gxx(k)+guu(k)(12)x(k)其中,为状态变量的变化量。同理得到静态工作点线性化后的控制器模型w(k+1)=pww(k)+pee(k)u(k)=qww(k)+qee(k)(13)由被控对象线性化模型(式(12),可以利用线性控制理论设计线性控制器(式(13)。rS但仅通过一个静态工作点设计控制器会丢失大量 Go的非线性静态和动态信息,使得控制器在设定值和扰动变化情况下的性能下降27。因此,需要将设定值和干扰信息考虑到控制器模型中。定义设定值的变化范围
25、,在设定值范围内选择 个离散点,可以得到一组闭环工作点:Zr ri,i=1,2,S(14)ridd dmin,dmaxNriSi=1NriSi=1Nri对于每个工作点,定义扰动 的变化范围,并选择个在变化范围内的扰动点,用线性子模型来描述系统在操作点附近的系统行为。因此,可以用线性系统来表示该非线性系统 Go。线性系统即可使用线性控制理论设计线性控制器。上述离散化工作点的方法可以看作一个工艺操作区域的识别问题运用于煤气化炉对象的多煤质模型建立。2.2动态矩阵控制(DMC)动态矩阵控制算法是一种基于被控对象阶跃响应模型的预测算法,具有易于建模、鲁棒性强的特点28。动态矩阵控制算法包括预测模型、滚
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